Больше 60 лет назад физик предсказал существование частицы-демона. Теперь ученые случайно нашли ее. «Хайтек» рассказывает, как им это удалось.
В 1956 году физик-теоретик Дэвид Пайнс предсказал, что электроны в твердом теле могут вести себя странно. Обычно у них есть масса и электрический заряд. Но Пайнс утверждал, — электроны могут объединяться, образуя составную частицу. Она является бесмассовой, нейтральной и не взаимодействует со светом. Физик назвал эту частицу «демоном».
С тех пор ученые считают, что частица играет важную роль в поведении большого количества металлов. К сожалению, те же свойства, которые делают «демона» таким интересным, не дают его обнаружить с момента предсказания.
Теперь команда исследователей во главе с Питером Аббамонте, профессором физики в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн, наконец-то нашла частицу Пайнса через 67 лет после того, как ее существование предсказали. Они использовали нестандартный экспериментальный метод, который непосредственно возбуждает электронные режимы материала. Так они смогли увидеть сигнатуру частицы в металлическом стронции.
Неуловимый демон
Одно из важнейших открытий физики конденсированного состояния состоит в том, что электроны теряют свои свойства в твердых телах. Электрические взаимодействия заставляют электроны объединяться в коллективные единицы. Обладая достаточной энергией, электроны могут даже образовывать составные частицы, — плазмоны. Они обладают новым зарядом и массой, которые определяются электрическими взаимодействиями в их основе. Однако масса обычно настолько велика, что плазмоны не образовываются при энергиях, доступных при комнатной температуре.
Но Пайнс предположил, что в твердом теле есть электроны более чем в одной энергетической зоне, как у многих металлов. Физик утверждал, что их соответствующие плазмоны могут объединяться в противофазе. В итоге, образуется новый плазмон, который является безмассовым и нейтральным — тот самый «демон».
Поскольку у «демонов» нет массы, они могут формироваться с любой энергией, и, поэтому, существовать при любых температурах. Поэтому появилось предположение, что они оказывают важное влияние на поведение металлов.
Нейтральность демонов означает, что они не оставляют следов в стандартных экспериментах с конденсированной материей. Известно, что подавляющее большинство экспериментов проводят со светом и измеряют оптические свойства. Но электрическая нейтральность означает, что «демоны» не взаимодействуют со светом. Ученым потребовался принципиально другой эксперимент.
Новый эксперимент
В рамках нового исследования физики изучали рутенат стронция (Sr2RuO4), но по другой причине — этот металл похож на высокотемпературные сверхпроводники, но не является таковым. Ученые хотели понять, почему это явление происходит в других системах и провели первое исследование электронных свойств металла.
Физики синтезировали высококачественные образцы металла, которые до этого исследовали с помощью спектроскопии высокого разрешения характеристических потерь энергии электронами (СХПЭЭ-ВР, англ. high-resolution electron energy loss spectroscopy сокр., HREELS). Это разновидность спектроскопии характеристических потерь энергии электронами, объектом анализа которой являются потери на возбуждение колебаний атомов поверхности твердого тела и адсорбатов на ней.
Этот нестандартный метод использует энергию электронов, выпущенных в металл. Цель — непосредственное наблюдение за особенностями металла, включая образующиеся плазмоны. Однако, просматривая данные, исследователи обнаружили нечто необычное: электронную моду без массы.
Уже другие физики рассчитали особенности электронной структуры рутената стронция.
Вообще, предсказание Пайнсом «демонов» требует довольно специфических условий. Ученые понятия не имели, должен ли рутенат стронция вообще «прятать» у себя «демона». Физикам пришлось провести микроскопические расчеты, чтобы прояснить, что происходит. Когда они это сделали, то обнаружили частицу, состоящую из двух электронных полос, колеблющихся в противофазе с почти одинаковой амплитудой. Все, как описал Пайнс.
Что в итоге?
По словам авторов исследования, они обнаружили «демона» «по счастливой случайности». Они подчеркнули, что использовали метод, который не получил широкого распространения и проверяли вещество, которое не достаточно хорошо изучено.
То, что они обнаружили что-то неожиданное и значительное, получилось потому, что пытались сделать «что-то другое»я
«Это говорит о важности простого измерения вещей. Большинство больших открытий не планируются. Вы идете искать что-то новое и смотрите, что там есть», — заключают физики.
Обложка: wallpaperflare.com